Buracos negros e gravitaçãoBuracos negros e gravitação

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Buracos negros e gravitaçãoBuracos negros e gravitação

Buracos negros e gravitação

Buracos negros e gravitação

Karenn Liège


Objetivos

Enfatizar a importância da Teoria Gravitacional nas

descobertas cosmológicas principalmente as relacionadas aos

Buracos Negros.

“De todas as forças da natureza (existem apenas quatro forças) a

gravitacional é a menos entendida, apesar de ter sido a primeira a ser

pesquisada e estudada matematicamente.”

Afrânio Rodrigues Pereira

Afrânio Rodrigues Pereira


Geometria euclidiana

Geometria euclidiana

O 5º Postulado “Dado, em um plano, uma linha L e um ponto P fora de L,

então existe somente uma única linha reta que passa por P paralela paralela

a L”


Geometria não-euclidiana

não euclidiana

Obtivemos a negação do quinto postulado, tomando um espaço curvo e deixando

nossas “linhas retas” serem as chamadas “geodésicas” da superfície. superfície.

Duas linhas retas, inicialmente paralelas, se cruzarão sobre uma superfície curva

tal como a superfície de uma esfera. Aqui temos a geometria de Riemann. Riemann.


De Isaac Newton a Einstein

De Isaac Newton a Einstein

“Matéria atrai matéria na razão

direta do produto de suas massas

gravitacionais e na razão inversa do

quadrado da distância que as

separa”.

Foi o Físico inglês Isaac Newton no

século XVII, o primeiro a desvendar

alguns dos segredos desta interação

que ocorre com objetos tão

espetaculares como galáxias,

estrelas, planetas, cometas, pessoas,

maçãs, pedras, átomos, elétrons etc.

A força gravitacional é a única que se

manifesta com todas as coisas

existentes no Universo e, portanto é

uma força universal.


De Isaac Newton a Einstein

De Isaac Newton a Einstein

Newton postula que

Newton postula que

A primeira conseqüência deste postulado é que a unidade de

medida de massa gravitacional é a mesma de massa inercial,

como, por exemplo, o quilograma.

A segunda conseqüência é que a trajetória de um objeto deixado

“livre” em uma região do espaço contendo gravidade não depende

de sua massa e, portanto todos os corpos largados nas mesmas

condições iniciais descreverão a mesma trajetória no espaço.


Previsões a partir da Teoria de Newton

O matemático Francês Le Verrier previu a existência do planeta Mercúrio

sem olhar nenhum telescópio. Usando a teoria Newtoniana da gravitação gravitação

e

de posse de dados observacionais a respeito do movimento de Urano, Urano,

ele

pode calcular a localização do novo planeta. Usando os resultados resultados

de Le

Verrier, Verrier,

o astrônomo Galle pôde encontrar Netuno a menos de um grau do

local anunciado nos cálculos. O planeta Plutão também foi encontrado encontrado

dessa forma anos mais tarde.


De Isaac Newton a Einstein

De Isaac Newton a Einstein

Para Einstein, a menor distância entre dois pontos no espaço em nossa

volta não é uma linha reta, mas uma curva e assim, o planeta livre de

forças segue uma trajetória curva porque o espaço é curvo (esta teoria é

conhecida como Relatividade Geral ou Geometrodinâmica).

Na realidade, todos os corpos que estão em campos gravitacionais estão

no estado de inércia (isto é, livre de forças). No entanto, eles não

descrevem trajetórias retilíneas porque o espaço à sua volta é curvo.


Se o que define a trajetória é o espaço, porque

a trajetória se modifica quando modificamos a

Quando atiramos objetos aqui na

Terra com diferentes velocidades

iniciais, eles descrevem diferentes

curvaturas no espaço.

Então como pode ser o espaço que

está ditando aos objetos suas

trajetórias, se cada um segue

caminhos diferentes?

velocidade inicial?

A curvatura é do espaço-tempo,

não apenas do espaço.

Com esta idéia, Einstein publicou

um artigo em 1911, chamado “Sobre

a Influência da Gravidade na

Propagação da Luz”, mostrando que

um raio de luz deve se encurvar ao

passar perto de um corpo de

enorme massa tal como uma

estrela.


“A possibilidade de existência

de um corpo celeste com uma

massa tão grande que nem

mesmo a luz pudesse escapar

de sua superfície foi descrita

pela primeira vez pelo clérigo e

geólogo inglês John Michell, no

ano de 1783, em um artigo

enviado para a Royal Society

de Londres. Seu trabalho

baseava-se apenas na física

Newtoniana. “


O que é um buraco Negro ?

Quando a estrela morre, as reações de fusão

nuclear são interrompidas, pois o

combustível para essas reações é

consumido. Ao mesmo tempo, a gravidade

da estrela atrai a matéria para o interior e

comprime o núcleo. À medida que o núcleo é

comprimido, este se aquece e cria uma

explosão, arremessando para o espaço a

matéria e a radiação. O que fica é o núcleo

altamente comprimido e extremamente

maciço.

Esse objeto literalmente desaparece da

visão. Como a gravidade do núcleo é muito

intensa, ele se afunda na estrutura do

espaço-tempo, criando nele um buraco. Esse

objeto é chamado de buraco negro.

Imagem cedida pela Nasa

Concepção artística de um buraco negro: as setas mostram o

trajeto dos objetos para dentro e ao redor da abertura do buraco

negro


O conceito de velocidade de escape

A velocidade de escape é a velocidade que um corpo material precisa para escapar da ação

do campo gravitacional de um objeto. Dado um corpo de massa M e raio R, a velocidade de

escape V que um objeto material precisa atingir para conseguir escapar do campo

gravitacional desse corpo é dada por:

velocidade de escape

(km/seg)

Objeto do Sistema Solar

617,50

Sol

4,25

Mercúrio

10,36

Vênus

11,186

Terra

2,40

Lua

5,02

Marte

59,56

Júpiter

35,49

Saturno

21,30

Urano

23,50

Netuno

1,10

Plutão


Particularidades.

O núcleo se transforma na parte central do buraco

negro, chamada de singularidade gravitacional. A

abertura do buraco é chamada de horizonte de

eventos.

O raio do horizonte de eventos é chamado de Raio de

Schwarzschild, Schwarzschild,

assim chamado em homenagem ao

astrônomo Karl Schwarzschild, Schwarzschild,

cujo trabalho levou à

teoria dos buracos negros.


O que acontece quando o "raio de

Schwarzschild" é alcançado?

A curvatura do espaço-tempo é tão

grande que nem mesmo a luz

consegue escapar da superfície do

objeto que está colapsando. Se a luz

não escapa do objeto um observador

situado distante desse "raio" não

conseguirá mais enxergar o objeto.

Ele se transformou em um buraco

negro. Este corpo celeste está agora

envolto por um contorno, uma

"membrana" do espaço-tempo que

impede que tenhamos qualquer

informação sobre o que está

ocorrendo no interior dela.


Tipos de buracos negros

Schwarzschild - buraco negro sem rotação

O buraco negro de Schwarzschild é o mais simples, seu núcleo não

gira. Esse tipo de buraco negro tem apenas uma singularidade e

um horizonte de eventos.


Tipos de buracos negros

Kerr - buraco negro com rotação

O buraco negro de Kerr, provavelmente a forma mais comum na natureza,

gira porque a estrela do qual foi formado estava girando. Quando a estrela

em rotação entra em colapso, a rotação do núcleo é transferida ao buraco

negro (conservação do momento angular). O buraco negro de Kerr é

composto das seguintes partes:

singularidade - o núcleo colapsado;

horizonte de eventos - a abertura do buraco;

ergosfera - uma região de espaço distorcido de forma oval ao redor do

horizonte de eventos. A distorção é causada pelo movimento rotatório do

buraco negro que "arrasta" o espaço em torno dele;

limite estático - a fronteira entre a ergosfera e o espaço normal.


Como Identificar um buraco negro

Como Identificar um buraco negro

Embora não

possamos ver um

buraco negro, ele

tem três propriedades

que podem ou

poderiam ser

medidas:

massa

carga elétrica

taxa de rotação

A análise da radiação de raios-X detectada nesta descoberta deixa

poucas dúvidas de que a fonte da radiação em questão se trata de

(momento angular)

(momento angular)

um buraco negro.


Juntando todos os "retratos"

Juntando todos os "retratos"

Como sempre fazem, a partir das várias detecções feitas nos mais diferentes

intervalos Como de sempre radiação fazem, do espectro a partir eletromagnético, das várias detecções os astrônomos feitas nos mais construíram diferentes um intervalos de

mosaico radiação da radiação do espectro total emitida eletromagnético, pela galáxia os M81. astrônomos Para isso construiram juntaram todas um mosaico as da radiação

imagens total obtidas emitida nos pela vários galáxia comprimentos M81. Para isso de onda. juntaram Eis o todas resultado.

as imagens obtidas nos vários

comprimentos de onda. Eis o resultado.


Buracos Negros de grande massa contém a massa de milhões ou de milhares de

milhões de sóis são encontrados no centro da maioria das galáxias inclusive a Via-

Láctea. Sua "alimentação" é tirada do próprio gás existente nessas regiões

centrais, além das estrelas que ele destrói ao sugar todo o seu gás para o interior

do seu horizonte de eventos.

Buracos de "massa estelar” contêm a massa de cerca de 10 sóis e são criados

pelo colapso do núcleo de estrelas de grande massa, em geral pertencem a

sistemas estelares binários, aumentam sua massa graças ao puxão que seu

campo gravitacional dá no gás que pertence à estrela vizinha.


Descobertas mais recentes

Descobertas mais recentes

Um buraco negro, menor do que o

Sistema Solar pode controlar o destino de

um aglomerado inteiro de galáxias.

A Luz leva 1 segundo para chegar à Terra

vinda da Lua, 25 mil anos do Centro da

Galáxia `a Terra e 2 milhões de anos para

atravessar um aglomerado


A mais poderosa erupção já vista está em andamento há 100 milhões milhões

de anos

no aglomerado de MS0735. As bolhas são 250 vezes mais potentes do do

que no

aglomerado de Perseu.


Estes aglomerados consistem em cerca de mil galáxias que se deslocam deslocam

em torno de uma bola de

gás quente. No Núcleo há uma galáxia particularmente grande – onde ocorrem os processos mais

violentos do Universo.

Que um objeto de diâmetro tão pequeno afete um aglomerado inteiro inteiro

é

como uma uva influir no formato da Terra.


Se os fluxos

persistissem por 1

bilhão de anos, o

gás depositado na

região central

formaria trilhões de

novas estrelas.


Uma suspeita

era que as

bolhas de gás

provocassem

ondas de

choque, de

modo

semelhante às

explosões da

atmosfera.


Bolhas de gás gigantes

Os astrônomos descobriram bolhas de

gás gigantes, com centenas de milhares

de anos-luz anos luz de largura.

Energia semelhante a 100 milhões de

supernovas explodindo ao mesmo tempo.


Aglomerado de Perseu : Visto em Luz visível (esquerda), Raio-x (centro) e com

aumento de contraste (direita).


Si bemol, 57 oitavas abaixo do dó central


Os jatos emergindo da galáxia M87 no aglomerado de Virgem são apenas

0,01% de potência dos de MS0735


“ Os buracos negros supermassivos são de

longe, o maior suprimento de energia potencial

gravitacional de uma galáxia. Ao utilizar essa

energia pela acreção, acreção,

lançando poderosos

megajatos, megajatos,

o rebote dos buracos negros é um

dos mais importantes processos que ocorrem

no Universo.”

Wallace Tucker


Bibliografia

1. Geometria Euclidiana Plana - João Lucas Marques Barbosa

(Coleção Fundamentos da Matemática Elementar) -

Sociedade Brasileira de Matemática, Rio de Janeiro, 1985

2. Física Básica, Mecânica 1 - Pierre Lucie -Editora Campus

Ltda, Rio de Janeiro, 1979.

3. Gravitação: de Newton a Einstein - Afranio Rodrigues

Pereira - Departamento de Física, Universidade Federal de

Viçosa, Viçosa, MG - 2000

4. O Sopro do Buraco Negro - Wallace Tucker, Havey

Tananbaum e Andrew Fabian - Scientific American Brasil,

Brasil 2007.

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